Cos’è la Propagazione

La propagazione descrive il modo in cui le onde radio si spostano da una stazione trasmittente verso una stazione ricevente. Poiché le onde radio sono onde elettromagnetiche, per comprenderne il comportamento bisogna considerare non solo l’antenna che le genera, ma anche il mezzo attraverso cui viaggiano.

In condizioni ideali, cioè nello spazio libero, l’onda si propaga in un ambiente omogeneo e isotropo: in ogni punto le proprietà del mezzo sono le stesse e la velocità di propagazione resta costante. In questa situazione ideale le onde elettromagnetiche si muovono alla velocità della luce:

$$c \approx 300.000\ \text{km/s} = 3 \times 10^8\ \text{m/s}$$

Nella pratica radioamatoriale, però, il segnale non viaggia quasi mai in uno spazio perfettamente uniforme. L’atmosfera terrestre, il suolo, il mare, gli ostacoli naturali e le strutture artificiali modificano il percorso dell’onda e ne influenzano l’intensità, la direzione e talvolta anche la polarizzazione.

Questo è il motivo per cui due collegamenti sulla stessa frequenza possono comportarsi in modo molto diverso a seconda dell’ora, della distanza, della banda utilizzata e delle condizioni ambientali.

Propagazione nello Spazio Libero e nell’Atmosfera

Nel modello teorico di spazio libero, l’onda si allontana dalla sorgente senza incontrare ostacoli né discontinuità del mezzo. Questo modello è utile perché fornisce un riferimento semplice per i calcoli, ma non rappresenta fedelmente ciò che accade vicino alla superficie terrestre.

Nell’atmosfera reale, invece, il mezzo non è perfettamente omogeneo. La presenza di aria con densità variabile, vapore acqueo, pioggia, nubi, particelle in sospensione e strati ionizzati introduce effetti che possono:

• indebolire il segnale;
• deviarne il percorso;
• farlo aggirare intorno agli ostacoli;
• rifletterlo o rifrangerlo parzialmente.

Per questo, quando si studia la propagazione radio, si passa rapidamente dal modello ideale ai fenomeni reali che governano il comportamento del segnale.

Fenomeni Principali della Propagazione

Attenuazione

L’attenuazione è la riduzione dell’energia dell’onda durante la propagazione. Una parte della potenza viene infatti assorbita dal mezzo attraversato o dispersa lungo il percorso.

In atmosfera l’attenuazione può essere favorita da:

• umidità e vapore acqueo;
• pioggia, neve o nubi dense;
• particelle di polvere o aerosol;
• presenza di strati ionizzati o condizioni atmosferiche particolari.

L’effetto non è uguale a tutte le frequenze: in generale, salendo verso le bande più alte, alcuni meccanismi di assorbimento diventano più importanti. Ecco perché un collegamento che in HF appare stabile può risultare molto più delicato in SHF o microonde.

Riflessione

La riflessione avviene quando l’onda incontra una superficie o una discontinuità del mezzo e una parte della sua energia torna indietro o viene deviata in un’altra direzione.

Esempi tipici di superfici riflettenti sono:

• il suolo;
• la superficie del mare;
• grandi strutture metalliche;
• alcuni strati dell’alta atmosfera, in particolare la ionosfera.

La riflessione non è necessariamente totale: spesso solo una parte dell’onda viene riflessa, mentre il resto continua il proprio cammino oppure viene assorbito.

Rifrazione

La rifrazione si verifica quando l’onda passa da un mezzo a un altro, oppure attraversa zone dello stesso mezzo con proprietà diverse. In queste condizioni la velocità di propagazione cambia leggermente e il raggio d’onda subisce una deviazione.

In radiotecnica il fenomeno è importante perché l’atmosfera non è uniforme: variazioni di densità, temperatura e umidità possono incurvare il percorso delle onde, soprattutto nelle bande VHF, UHF e superiori.

La rifrazione spiega anche perché la propagazione reale non segue sempre una linea perfettamente retta e perché, in certe condizioni, si possono coprire distanze superiori a quelle attese dalla sola ottica geometrica.

Diffrazione

La diffrazione è la capacità dell’onda di aggirare in parte un ostacolo o di espandersi oltre un’apertura. Il fenomeno diventa più evidente quando le dimensioni dell’ostacolo sono confrontabili con la lunghezza d’onda.

In pratica, grazie alla diffrazione:

• un rilievo montuoso non blocca sempre in modo netto il segnale;
• un ostacolo può lasciare passare comunque una parte dell’energia;
• le frequenze più basse, avendo lunghezze d’onda maggiori, spesso aggirano meglio gli ostacoli rispetto a quelle molto alte.

La diffrazione non elimina la perdita introdotta dall’ostacolo, ma aiuta a capire perché il segnale possa essere ancora ricevibile anche in assenza di perfetta visibilità ottica.

Perché la Frequenza Cambia il Tipo di Propagazione

I fenomeni descritti sopra sono sempre presenti, ma il loro peso cambia molto con la frequenza. Questo è uno dei concetti più importanti in ambito radioamatoriale.

In modo qualitativo:

• nelle LF, MF e parte delle HF, il suolo e la ionosfera influenzano fortemente la propagazione;
• nelle HF diventano centrali i collegamenti a lunga distanza per riflessione/rifrazione ionosferica;
• nelle VHF e UHF prevale più spesso la propagazione quasi ottica, con forte dipendenza da orografia, altezza delle antenne e ostacoli;
• nelle bande più alte, attenuazione atmosferica, pioggia e precisione del puntamento diventano molto più importanti.

Questo significa che non esiste una sola “propagazione radio”, ma un insieme di comportamenti diversi che cambiano al variare della banda usata.

Le principali bande radio in sintesi

Nella classificazione tecnica più comune, lo spettro radio viene suddiviso in 9 bande principali, ciascuna con comportamento propagativo e impieghi tipici differenti. Nei prospetti d’esame queste bande sono spesso identificate con numeri interi consecutivi, che in questa parte dello spettro vanno da 3 a 11.

La tabella è utile soprattutto per associare rapidamente una banda al suo ordine di grandezza: a frequenze più alte corrispondono lunghezze d’onda più corte, maggiore direzionalità realizzabile e, in generale, maggiore sensibilità a ostacoli e attenuazione atmosferica.

Nella terminologia classica si incontrano spesso anche questi nomi:

• LF: onde chilometriche;
• HF: onde decametriche;
• VHF: onde metriche;
• UHF: onde decimetriche;
• SHF: onde centimetriche;
• EHF: onde millimetriche.

Modi di Propagazione Più Comuni

Oltre ai fenomeni fisici di base, in pratica si usa spesso classificare la propagazione in base al percorso prevalente seguito dal segnale. Questa distinzione è molto utile perché collega direttamente la teoria al tipo di collegamento che si vuole realizzare.

Onda di superficie o onda di terra

L’onda di superficie, detta anche onda di terra, segue la curvatura terrestre e si propaga vicino al suolo. È tipica soprattutto delle frequenze più basse, in particolare VLF, LF e in parte MF.

Questo tipo di propagazione sfrutta la conducibilità elettrica della superficie terrestre. Per questo motivo:

• il percorso è favorito su acqua salata o terreni molto conduttivi;
• peggiora su terreni secchi, rocciosi o poco conduttivi;
• tende ad attenuarsi rapidamente all’aumentare della frequenza.

Alle frequenze più alte l’assorbimento da parte del terreno diventa infatti molto più marcato, quindi l’onda di superficie perde efficacia. È una delle ragioni per cui le trasmissioni in AM broadcast sulle medie frequenze possono coprire buone distanze soprattutto di giorno, mentre salendo di banda questo meccanismo diventa molto meno utile.

Onda diretta

La propagazione per onda diretta si ha quando il segnale raggiunge il ricevitore attraverso la parte bassa e non ionizzata dell’atmosfera, senza coinvolgere riflessioni ionosferiche. È la propagazione tipica dei collegamenti in vista radio.

In prima approssimazione assomiglia a una propagazione rettilinea, ma nella realtà:

• il percorso è influenzato dalla rifrazione atmosferica;
• l’altezza delle antenne diventa determinante;
• la portata aumenta se cresce la distanza radio-ottica tra TX e RX.

Questo modo di propagazione è il più comune nelle bande VHF e UHF, dove ponti radio, collegamenti locali e traffico da ripetitore dipendono molto dalla visibilità reciproca tra le stazioni.

Onda riflessa dal terreno

Un segnale può raggiungere il ricevitore anche dopo essere stato riflesso dal suolo o da superfici vicine. In questo caso al segnale diretto si somma un secondo percorso, più lungo, che arriva con ritardo e fase diversa.

L’effetto pratico può essere duplice:

• in alcuni punti il segnale si rinforza;
• in altri si indebolisce per cancellazione parziale.

Questo comportamento è importante nei collegamenti a bassa quota sul terreno e aiuta a spiegare perché, spostandosi anche di poco, il livello ricevuto possa cambiare sensibilmente.

Onda riflessa o rifratta dalla ionosfera

La propagazione ionosferica permette i collegamenti a grande distanza sfruttando gli strati ionizzati dell’alta atmosfera. Un segnale trasmesso verso l’alto può essere deviato e ritornare verso la Terra, coprendo distanze ben oltre l’orizzonte ottico. Nel linguaggio tradizionale questa modalità viene spesso chiamata anche onda di cielo (sky wave).

Questo tipo di propagazione è centrale nelle bande MF e soprattutto HF, ed è alla base del traffico DX. Il suo comportamento dipende però da molti fattori:

• frequenza utilizzata;
• ora del giorno;
• stagione;
• attività solare;
• angolo con cui l’onda entra nella ionosfera.

Un concetto fondamentale è la MUF (Maximum Usable Frequency), cioè la massima frequenza utilizzabile per un collegamento ionosferico su un dato percorso in un dato momento. Se si supera tale valore, l’onda non viene più deviata a sufficienza e tende a proseguire nello spazio.

Propagazione satellitare

Nella propagazione satellitare il segnale non torna verso Terra per effetto naturale dell’atmosfera, ma viene ritrasmesso o riflesso da un satellite. Dal punto di vista operativo il satellite si comporta come un ripetitore posto a grande altezza.

Quando il segnale lascia l’atmosfera senza essere riportato a Terra dagli strati ionizzati si parla anche di onda spaziale. Questo è il comportamento sfruttato nei collegamenti via satellite.

Questo consente di realizzare collegamenti a lunghissima distanza anche su bande dove la propagazione naturale non sarebbe sufficiente. In ambito radioamatoriale la tecnica è molto usata soprattutto in VHF, UHF e bande superiori.

Dal punto di vista pratico richiede:

• antenne con puntamento e polarizzazione adeguati;
• attenzione all’effetto Doppler, soprattutto sui satelliti in orbita bassa;
• corretta gestione delle frequenze di uplink e downlink.

Meteor Scatter

Il meteor scatter sfrutta la breve ionizzazione lasciata nell’alta atmosfera dagli sciami meteorici o dai singoli meteori entrando nell’atmosfera terrestre. Queste tracce ionizzate possono riflettere o diffondere il segnale per tempi molto brevi, spesso frazioni di secondo o pochi secondi.

La tecnica permette collegamenti sorprendenti, in particolare in VHF, anche quando non esiste una normale propagazione diretta o ionosferica sul percorso. Proprio perché il fenomeno è intermittente, si usano procedure operative e modi digitali adatti a scambi rapidi e robusti.

Troposcatter

La propagazione per troposcatter sfrutta la diffusione subita dall’onda radio nella troposfera, cioè la parte più bassa e densa dell’atmosfera. Una piccola porzione dell’energia irradiata viene diffusa in direzioni diverse da quella principale e può quindi raggiungere un ricevitore posto oltre l’orizzonte ottico.

Non si tratta di una riflessione netta come nel caso ionosferico: il meccanismo è più debole e dispersivo, ma consente comunque collegamenti notevoli, soprattutto su tratte molto lunghe in VHF, UHF e talvolta bande superiori.

Dal punto di vista pratico, il troposcatter richiede in genere:

• antenne direttive con buon guadagno;
• potenze relativamente elevate o sistemi molto efficienti;
• percorsi stabili e ben studiati;
• ricevitori sensibili e segnali spesso deboli.

È una tecnica meno comune nel traffico quotidiano del radioamatore medio, ma importante da conoscere perché mostra come l’atmosfera bassa possa influenzare la propagazione anche senza coinvolgere la ionosfera.

Strati dell’Atmosfera e Ruolo Radioelettrico

Per capire bene i diversi tipi di propagazione è utile richiamare la struttura dell’atmosfera terrestre, perché ogni strato ha proprietà diverse e influenza in modo differente il comportamento delle onde radio.

Troposfera

La troposfera è lo strato più vicino al suolo e arriva indicativamente fino a circa 16 km di altezza, anche se il valore può variare con latitudine e condizioni meteorologiche. È la zona in cui si sviluppano i fenomeni meteorologici e nella quale, mediamente, la temperatura diminuisce con la quota.

Dal punto di vista radio è importante perché interessa:

• la propagazione diretta;
• il troposcatter;
• alcuni casi di rifrazione anomala e ducting troposferico.

Il limite superiore della troposfera è chiamato tropopausa.

Stratosfera

La stratosfera si estende sopra la troposfera fino a circa 50-60 km. In questo strato la temperatura smette inizialmente di diminuire e poi tende a crescere con la quota.

Dal punto di vista radio non è lo strato più attivo per i collegamenti amatoriali, ma fa parte del profilo atmosferico che contribuisce a determinare il comportamento complessivo della propagazione.

Il suo limite superiore è la stratopausa.

Mesosfera

La mesosfera si estende indicativamente da circa 50 km fino a circa 80 km. In questa regione la temperatura torna a diminuire con la quota.

È uno strato interessante perché in alta mesosfera e nelle zone limitrofe si manifestano fenomeni collegati all’ingresso dei meteori, quindi è indirettamente coinvolta nelle condizioni favorevoli al meteor scatter.

Il limite superiore è la mesopausa.

Termosfera

La termosfera inizia attorno agli 80 km e si estende per centinaia di chilometri. In questo strato la temperatura cresce fortemente con la quota a causa dell’assorbimento della radiazione solare.

Una parte importante dei fenomeni ionosferici è collocata in questa regione o nelle sue zone di transizione.

Ionosfera

La ionosfera non coincide perfettamente con un singolo strato atmosferico, ma è una regione dell’alta atmosfera che si estende grossomodo da circa 60 km fino a oltre 400 km. Qui i gas atmosferici vengono ionizzati dalla radiazione solare, soprattutto ultravioletta e X.

La ionizzazione:

• varia nel corso della giornata;
• dipende dalla stagione;
• cresce o diminuisce con l’attività solare;
• è fondamentale per la propagazione HF a lunga distanza.

In generale, la ionizzazione è maggiore nelle ore diurne e può modificarsi sensibilmente tra estate e inverno. Proprio da questa variabilità dipendono molti dei cambiamenti osservati nelle bande corte.

Strati della ionosfera

All’interno della ionosfera si distinguono normalmente gli strati D, E, F1 e F2, ciascuno posto a quote diverse e con comportamento variabile nel corso della giornata:

• D: circa 60-80 km;
• E: circa 90-130 km;
• F1: circa 180-220 km;
• F2: circa 220-500 km.

Lo strato D è presente soprattutto di giorno ed è importante perché tende ad assorbire una parte dell’energia radio, in particolare alle frequenze più basse. Durante la notte si indebolisce fortemente o scompare quasi del tutto, riducendo l’assorbimento.

Gli strati superiori si comportano in modo diverso: F1 e F2 sono ben distinti nelle ore diurne, mentre di notte tendono a fondersi in un unico strato, spesso indicato semplicemente come F. Questo è uno dei motivi per cui la propagazione HF cambia sensibilmente tra giorno e notte.

In termini pratici:

• le bande LF e MF risentono molto dell’assorbimento dello strato D;
• nelle HF basse, come 80 m e 40 m, diventano rilevanti anche gli strati inferiori;
• nelle HF più alte, come 20 m, 15 m e 10 m, il ruolo principale è svolto dagli strati F1/F2 o dallo strato F notturno.

A frequenze molto elevate, in particolare oltre circa 50 MHz, l’effetto ionosferico ordinario diminuisce molto e le onde tendono in genere ad attraversare la ionosfera senza essere rinviate verso Terra, salvo casi particolari come propagazioni sporadiche o altri fenomeni anomali.

Se la frequenza utilizzata supera la MUF, l’onda non viene più deviata in misura sufficiente e quindi, in pratica, buca la ionosfera proseguendo verso lo spazio.

Sole, Ionosfera e Attività Solare

La principale sorgente dell’ionizzazione atmosferica è il Sole. La radiazione solare, soprattutto ultravioletta, modifica il grado di ionizzazione degli strati alti dell’atmosfera e influenza direttamente la propagazione radio.

Per il radioamatore questo significa che le condizioni di propagazione dipendono non solo da frequenza, ora e stagione, ma anche dal ciclo solare e dagli episodi di attività più intensa.

CME e tempeste geomagnetiche

Una CME (Coronal Mass Ejection) è un’espulsione di massa coronale, cioè un’enorme emissione di materia dalla corona solare. Quando investe la Terra può causare tempeste geomagnetiche, con effetti sulle comunicazioni radio, sui satelliti e più in generale sulle infrastrutture elettroniche sensibili.

Evento di Carrington

L’evento di Carrington è il più famoso episodio storico di forte attività solare. Nel 1859 una violenta tempesta geomagnetica produsse gravi disturbi alle linee telegrafiche dell’epoca ed è ancora oggi citata come caso di studio nei temi di radiopropagazione e space weather.

Le protezioni naturali della Terra

La Terra è protetta da diversi meccanismi naturali:

• il campo magnetico terrestre, che devia molte particelle cariche;
• le fasce di Van Allen, che intrappolano parte delle particelle energetiche;
• l’atmosfera e lo strato di ozono, che assorbono parte della radiazione nociva.

Queste protezioni non eliminano del tutto gli effetti radioelettrici dell’attività solare, ma riducono drasticamente l’impatto diretto sulla vita terrestre.

Diagramma degli Strati della Ionosfera

Lo schema seguente riassume in forma semplice la differenza tra configurazione diurna e notturna degli strati ionosferici.

Schema qualitativo non in scala: di giorno compaiono chiaramente D, E, F1 e F2; di notte lo strato D quasi scompare e F1/F2 tendono a fondersi in un unico strato F.

Esosfera

L’esosfera è la regione più esterna dell’atmosfera terrestre, oltre alcune centinaia di chilometri di quota. È una zona molto rarefatta e rappresenta il passaggio graduale verso lo spazio esterno.

Diagramma degli Strati Atmosferici

Lo schema seguente riprende gli appunti e mostra in forma semplificata la disposizione degli strati atmosferici più importanti per la propagazione radio.

Schema semplificato non in scala: la troposfera interessa i collegamenti diretti e troposferici, mentre la ionosfera è la regione più importante per la propagazione HF a lunga distanza.

Diagramma dei Tipi di Propagazione

Il disegno seguente sostituisce lo schema presente negli appunti e riassume i percorsi più comuni di un segnale radio tra trasmettitore e ricevitore:

Schema qualitativo: in blu l’onda diretta, in verde l’onda riflessa dal suolo, in arancione il percorso diffratto da un ostacolo e in viola il collegamento che sfrutta la ionosfera per coprire distanze molto maggiori dell’orizzonte ottico.

Designazione delle Emissioni Radio

Negli appunti compare anche un tema collegato, spesso richiesto negli esami: la designazione delle emissioni radio. Pur non essendo un fenomeno di propagazione in senso stretto, è utile conoscerla perché descrive quanto spettro occupa un segnale e che tipo di emissione si sta utilizzando.

La classificazione delle emissioni usa un codice alfanumerico. Nei testi d’esame lo si presenta spesso in forma semplificata, evidenziando pochi caratteri fondamentali e lasciando ad altri simboli l’eventuale dettaglio aggiuntivo del tipo di segnale trasmesso.

Una designazione completa contiene più informazioni, ma la prima parte indica la larghezza di banda necessaria. Questa viene scritta con una combinazione di cifre e una lettera che funge da marcatore della posizione decimale e dell’unità di misura.

Le lettere più comuni sono:

• H per gli hertz;
• K per i kilohertz;
• M per i megahertz;
• G per i gigahertz.

La lettera non va letta come un suffisso messo in fondo al numero: fa parte del numero stesso e ne indica dove si trova la virgola.

Esempi:

• H100 significa 0,100 Hz;
• 2K40 significa 2,40 kHz;
• 1M25 significa 1,25 MHz;
• 5G65 significa 5,65 GHz.

Nelle designazioni complete, dopo la larghezza di banda compaiono altri simboli che identificano la classe di emissione, cioè il tipo di modulazione, la natura del segnale modulante e il tipo di informazione trasmessa.

Esempi molto comuni in ambito radio:

• A1A: telegrafia CW non modulata da segnale audio;
• A3E: modulazione di ampiezza per telefonia;
• J3E: SSB a portante soppressa, tipicamente usata per voce;
• F3E: modulazione di frequenza per telefonia.

Queste sigle compaiono spesso in tabelle tecniche, documentazione normativa e manuali d’esame, quindi è utile saperle riconoscere almeno nelle loro forme più frequenti.

Lettura Pratica della Larghezza di Banda

Per evitare errori, conviene leggere queste sigle in due passaggi:

1. si individua la lettera per capire l’unità di misura;
2. si interpreta la posizione della lettera come separatore della parte intera e della parte decimale.

Per esempio, in 2K40 la K indica i kilohertz e separa il 2 dal 40, quindi il risultato è 2,40 kHz e non 240 kHz. Allo stesso modo K40 significa 0,040 kHz e M25 significa 0,25 MHz.

Questo dettaglio è importante perché una lettura sbagliata della designazione porta a fraintendimenti notevoli sulla larghezza di banda realmente occupata dal segnale.

Conclusioni Operative

Per il radioamatore, capire la propagazione significa sapere che il collegamento non dipende solo da potenza e antenna. Conta anche il comportamento del mezzo attraversato dall’onda, che può assorbire, riflettere, rifrangere o diffrangere il segnale.

Da questo discende una regola pratica: quando una comunicazione riesce male, non bisogna attribuire subito il problema all’apparato. In molti casi il limite è imposto dal tipo di propagazione disponibile in quel momento, su quella frequenza e in quelle condizioni ambientali.